Si aprono nuovi orizzonti per la criomicroscopia

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Da sinistra a destra: Anders Meibom, Florent Plane e Stéphane Escrig © 2023 EPFL
Da sinistra a destra: Anders Meibom, Florent Plane e Stéphane Escrig © 2023 EPFL / Alain Herzog
Una tecnica di osservazione dei tessuti biologici sviluppata all’EPFL sta aprendo un nuovo promettente campo di ricerca. Unica al mondo, può essere utilizzata per analizzare tessuti preparati con il metodo sviluppato circa quarant’anni fa da Jacques Dubochet, premio Nobel per la chimica e professore onorario all’Università di Losanna.

Ci sono voluti quasi dieci anni di ricerca e lo sviluppo di diversi prototipi prima che il professor Anders Meibom potesse dichiararsi vincitore. Il suo team è riuscito a migliorare la funzionalità di una sonda ionica, chiamata NanoSIMS(spettrometria di massa di ioni secondari su scala nanometrica), trasformandola in CryoNanoSIMS, uno strumento unico al mondo in grado di analizzare la composizione chimica o isotopica di tessuti biologici preventivamente vetrificati. Questa tecnica di raffreddamento è alla base della moderna criomicroscopia elettronica, che consente di conservare tutti i costituenti di un campione biologico nel loro stato post-mortem più puro. Jacques Dubochet, il più famoso biofisico vodese, ha sviluppato questa "vetrificazione dell’acqua" negli anni Ottanta. Nel 2017 gli è valso il Premio Nobel per la Chimica. Il team di scienziati dell’EPFL presenta ora il CryoNanoSIMS e le sue numerose promesse nella rivista BMS Biology.

"Ora siamo in grado di ottenere immagini precise di dove, in una cellula o in un tessuto, uno specifico nutriente viene immagazzinato o utilizzato, e dove un farmaco penetra - o non penetra. Attualmente non esiste altro modo per ottenere queste informazioni", spiega Anders Meibom, direttore del Laboratorio di geochimica biologica dell’EPFL, che fa parte della Facoltà di Scienze naturali, architettoniche e dell’ambiente costruito, nonché professore all’Università di Losanna (UNIL).

Il CryoNanoSIMS apre prospettive di ricerca completamente nuove.

Nuovi orizzonti

La CryoNanoSIMS offre, ad esempio, la possibilità di visualizzare direttamente nei tessuti biologici preparati criogenicamente la distribuzione subcellulare di piccole molecole essenziali per il trattamento delle infezioni batteriche con antibiotici o del cancro. Il metodo è estremamente preciso, perché la criogenia congela le molecole, per cui nessuna molecola viene persa o spostata. Lo strumento può essere utilizzato anche per visualizzare la distribuzione degli elementi in traccia nei tessuti vegetali, informazioni cruciali per ottimizzare la crescita delle piante, la produzione agricola e il monitoraggio dei contaminanti ambientali nel suolo e nei biofilm. Il tutto con una risoluzione spaziale sub-cellulare.

"Il CryoNanoSIMS apre una gamma completamente nuova di opportunità di ricerca e nel mio laboratorio stiamo attualmente sviluppando un importante programma scientifico attorno a questa capacità unica", sottolinea il professor Meibom. Il CryoNanoSIMS è ospitato in un edificio dell’Università di Losanna. Fa parte del Centro per l’analisi avanzata delle superfici (CASA), un consorzio di laboratori dell’Università di Losanna e dell’EPFL che collaborano all’uso di apparecchiature all’avanguardia per l’analisi elementare e isotopica delle superfici in un’ampia gamma di argomenti di ricerca, dalla geologia alla biologia. Contattato, Jacques Dubochet ha accolto con favore "questa espansione della chimica biologica".

Precisione svizzera

La stessa tecnologia NanoSIMS ha rivoluzionato il mondo dell’imaging quando è stata lanciata circa vent’anni fa. Basata sulla proiezione di un fascio di ioni su un campione, consente di osservare elementi con una risoluzione di 100 nanometri. Tuttavia, i metodi di preparazione dei campioni associati allo strumento hanno finora comportato un certo grado di deformazione della morfologia dei tessuti e la perdita di composti solubili. Per superare queste limitazioni, il team di Anders Meibom ha messo a punto un processo di preparazione criogenica dei campioni e ha dotato il NanoSIMS di una nuova parte fisica comprendente estensioni per ospitare campioni criogenicamente congelati e un serbatoio di azoto liquido.

"È stato molto difficile trasformare uno strumento esistente che opera a temperatura ambiente in uno strumento in grado di analizzare campioni di tessuto congelati, mantenendo il campione freddo e stabile per ore e ore, per consentire di ottenere informazioni completamente nuove", spiega il professore. "Tutto questo non sarebbe stato possibile senza il know-how dei laboratori di ingegneria meccanica dell’EPFL e la competenza delle aziende svizzere per raggiungere il livello di precisione di alcune parti".

Dall’idra al corallo

Gli autori dello studio illustrano i progressi compiuti da CryoNanoSIMS nella rivista BMS Biology utilizzando un’idra, un animale che prolifera nelle acque dolci, anche in Svizzera. Grazie a CryoNanoSIMS, hanno potuto osservare direttamente come questo animale assorbe e assimila l’ammonio, un nutriente essenziale per molti organismi acquatici.

Il team di Anders Meibom applicherà presto questo studio ai coralli, una delle aree di competenza del suo laboratorio, per comprendere meglio la simbiosi tra alghe e coralli e identificare i fattori che ne innescano lo sbiancamento e la morte.

Riferimenti

Anders Meibom, Florent Plane, Tian Cheng, Gilles Grandjean, Olivier Haldimann, Stephane Escrig, Louise Jensen, Jean Daraspe, Antonio Mucciolo, Damien De Bellis, Nils Rädecker, Cristina Martin-Olmos, Christel Genoud, Arnaud Comment, "Correlated Cryo-SEM and CryoNanoSIMS Imaging of Biological Tissue", BMS Biology, 7 giugno 2023. DOI: 10.1186/s12915’023 -01623-0